İçindekiler
Dergi Arşivi

Bilişim, Bilim ve Teknoloji

Dr. Mustafa Kemal AKGÜL / Sanayi ve Teknoloji Uzmanı (Verimlilik Genel Müdürlüğü)

 

Yenilikçi Malzemeler ve Uluslararası Rekabete Etkileri - 2

Giriş
Önceki sayıda ilk bölümünü sunmakla başladığımız konu başlığımızı bu sayıda ikinci bölümüyle sürdüreceğiz. İlk sayıda malzeme biliminin öneminden başlayarak, malzeme biliminin temel bilimler ile olan ilişkisini açıklamış, ardından da yenilikçi malzemelerin öneminden bahsetmiştik.

Bu sayımızda ise ileri teknoloji ürünü malzemeler nelerdir? Yenilikçi malzemeler ve yenilikçi ürünler; ileri metalik malzemeler; ileri seramikler, yeni-ileri polimerik malzemeler, kompozit malzemeler, başlıkları ele alınacaktır. Gelecek sayıda ise, yenilikçi malzemelerin uluslararası rekabete etkileri ve Türkiye’de ileri malzeme teknoloji ve yenilikçi malzemeler konusunda yapılan eğitimlere ve araştırmalara değinilecektir.

İleri Teknoloji Ürünü Malzemeler Nelerdir?

1. İleri Teknoloji Ürünü Malzemeler

Malzeme sektörü, ekonomide tüm faaliyetlere girdi sağlayan temel alanlardan biridir.

Savunma, havacılık, mikro-elektronik, iletişim ve otomotiv sektörlerinde kullanılacak ileri malzemelerin ortaya çıkışı; malzeme biliminin bu gereksinimleri karşılayabilecek çok disiplinli, proses ağırlıklı bir alana dönüşmesiyle birlikte ilerlemektedir. Bu bağlamda polimerik ve kompozit malzemeler, akıllı ve işlevsel malzemeler, opto-elektronik malzemeler gibi önümüzdeki yıllarda önemli çekim alanları oluşturacak ileri malzeme alanları, ülkemiz için de önemli fırsat alanlarıdır.

İleri teknoloji ürünü malzemeler katma değeri yüksek, ileri teknoloji ve bilgi gerektiren malzemeler olarak tanımlanmaktadır. Endüstriyel açıdan ileri malzemelerin kullanımı, ülkelerin gelişmişlik düzeyleri ve ekonomileri ile de paralellik arz etmektedir. İleri malzemeler birçok alanda kullanılmakta ve geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Yüksek katma değere sahip olmaları nedeniyle ülke ekonomisinde itici unsur olarak rol oynayabilecek söz konusu malzemeler, ülkemizin dünya pazarlarındaki rekabet gücünü artırabilecek potansiyele sahiptir.

İleri malzemeleri en geniş anlamda “yüksek saflıkta, yüksek teknolojik performansa ve yüksek bilgi içeriğine sahip ve dünya ekonomisine giderek artan bir ölçekte katkıda bulunan yüksek katma değerli malzemeler” olarak tanımlamak mümkündür. Ayrıca, “20. Yüzyılın ikinci yarısında, dünya ekonomisine önemli ölçekte pazar payıyla giren seramik, polimer, metal ve kompozitler olarak yüksek safiyete, yüksek teknik performansa ve yüksek bilgi içeriğine sahip, artan entegre işlev çeşitliliği olan, yüksek katma değerli malzeme” şeklinde de tanımlanmaktadır.

 
Çizelge 1. Malzeme Üretim Süreçlerinde Anlayış Değişimleri

GELENEKSEL ANLAYIŞ

İLERİ MALZEMELER

Makroyapı denetimi

Mikroyapı denetimi

Araştırma, tasarım, üretim ve uygulama ayırımı

Artan entegrasyon

Büyük pazar/düşük tüketim artışı

Küçük pazar/ yüksek hızda tüketim artışı

Düşük maliyetli standart ürünler/yüksek üretim

Çok değişken ve entegre işlevli ürünler, yüksek saflık, yüksek katma değer ve çevreye duyarlılık

Ana tüketiciler: Ulaşım ve inşaat

Ana   tüketiciler: Enformasyon ve telekomünikasyon

Hammadde ve enerji yoğun

Bilgi yoğun

Özel uzmanlık

Çok disiplinli ekip çalışması

Ürüne özgü donanım

Esnek üretim

Otomasyon

Bilgisayar denetimli şebeke

Düşük Ar-ge

Çok yüksek Ar-Ge

Kendi teknolojik birikimi

Araştırma-üretim-uygulama üçlü ayağı

İstatistiksel ve tahribatlı test (üretim sonrası)

Anında ve tahribatsız test

Büyük ve tek firma (kartel)

Yoğun işbirliği içinde büyük,  orta ve küçük ölçekli özel birimler

Hammadde  ve  enerji  firmanın  tavrını belirler

Özel pazar ve teknolojik birikim firma tavrını belirler

Malzeme üreticilerinin hammadde kaynaklarını denetim altında tutma eğiliminde olduğu geriye doğru entegrasyon

Malzeme kullanıcılarının üretici, malzeme ve üreticilerinin kullanıcı olmak istediği yatay ve dikey etkileşim

Günümüz sanayi sektörlerinde “İleri Malzeme Teknolojisi” olgusunun uygulamalarına bakıldığında aşağıda belirtilen çerçevede faaliyetlerin oluştuğu görülmektedir.
i. Geleneksel malzemelerin (örnek olarak çelik, demir-dışı metaller, beton, plastikler, klasik seramikler) yeni üretim, süreç denetim ve geri kazanım teknolojileriyle, düşük maliyet ve artan işlevsellikle, katma değerlerinin artırılması. Bunun yanı sıra geleneksel malzemelerin ileri teknoloji uygulamalarına entegre edilmeleri, yeni malzeme sistemlerine uyumlu olarak performanslarının artırılması.
ii. Katma değeri yüksek, yeni ve gelişmiş özelliklere sahip yüksek safiyette, yüksek performanslı ve karmaşık işlevleri yerine getirebilecek “İleri Malzeme” uygulamaları. Buna uygun olarak ileri üretim ve süreç denetim teknolojilerinin uygulanması (örnek olarak “near – net shape” süreçler, kaplama teknikleri, toz metalürjisi, yeni ısıl işlem teknikleri).
iii. Henüz sanayi sektörlerinde uygulamaya geçmemiş, ancak bilimsel bulgular itibarıyla yüksek potansiyele sahip, geleceğin teknolojilerinde önemli atılımlar yaptırabilecek uzun dönemli çalışmalar. Örnek olarak Karbon- 60, düşük basınç, düşük sıcaklık elmas kaplamalar, intermetalikler, karbonitrür (CN) sentezi, süper iletkenler, biyomimik malzemeler, nano-parçacık malzemeler, ultra- saf malzemeler gibi.
Uygulama açısından yukarıda belirtilen ayrıma uygun olarak, ileri teknolojileriyle, gelişen işlevleri, uygulamaları ve nitelikleriyle bu malzemeler grubu şu şekilde sınıflandırılmaktadır:

  • İleri metalik malzemeler
  • İleri seramikler
  • Yeni, ileri polimerik malzemeler
  • Kompozit malzemeler
  • Polimer bazlı kompozitler
  • Metal bazlı kompozitler
  • Seramik bazlı kompozitler (1).


2. Yenilikçi Malzemeler ve Yenilikçi Ürünler

İleri Metalik Malzemeler
Mevcut geleneksel metal malzemelere daha üstün özellikler kazandırmak amacıyla, toz metalurjisi, vakumda ergitme gibi yeni üretim teknolojileri geliştirilmiş, mevcut geleneksel malzemelerin yüzey kalitelerinin artırılması için lazer, kimyasal ve fiziksel kaplamalar gibi yeni yüzey teknikleri geliştirilmiş, ayrıca yeni alaşımlamalar yapılarak daha üstün özelliklere sahip yeni metalik malzemeler elde edilmiştir. Yeni malzemeler üretilirken malzemeye üretim aşamasında atomik düzeyde müdahale edilerek malzemenin yapısı kontrol edilebilmekte ve istenen tokluk, kırılganlık, sertlik, sıcaklık dayanımı, korozyon dayanımı gibi özellikler elde edilebilmektedir.

Niobyum, vanadyum ve titanyum ile mikro-alaşımlanmış çelikler, dubleks alaşımlanmış paslanmaz çelikler, ultra-dayanımlı çelikler, nikel, kobalt ve titanyum bazlı süper alaşımlar, intermetalik malzemeler, alüminyum lityum alaşımları gibi ileri hafif alaşım malzemeleri önemli örneklerdir.

Sinterleme, sıcak presleme, toz metal enjeksiyonu gibi metodlarla metal tozları sıkıştırılarak yüksek özelliklere sahip parçalar elde edilebilmekte ve adına “toz metalurjisi” denen yeni bir üretim teknolojisi kullanılarak ileri metalik malzemeler elde edilebilmektedir. Benzeri şekilde vakumda ergitme yoluyla yüksek özelliklere sahip magnezyum alaşımı parçalar üretilerek otomotiv ve havacılık sektöründe başarıyla kullanılmaktadır.

Nikel-titanyum alaşımlarında sağlanan ve adına şekil hafızalı alaşımlar (shape mamory alloys) denen yeni malzemeler belli sıcaklıklarda geometrik şekil değişikliği göstermekte, bu davranışı hafızasına alarak tekrarlayabilmektedir.

Ferromanyetik demir, nikel, kobalt gibi metaller üzerinde yapılan çalışmalar sonucu yeni manyetik alaşımlar elde edilerek çok yüksek çekim kuvvetine sahip sürekli magnetler yapılabilmektedir.

İleri Seramikler
İleri seramik malzemelerin önemi, sahip oldukları süper özelliklerden kaynaklanmaktadır. İleri seramikler geleneksel seramiklere göre yapılarının daha ince olması nedeniyle tercih edilmektedir. Günümüzde ileri seramikler için; ince seramikler, ileri teknoloji seramikleri, yüksek performanslı seramikler, süper seramikler, mühendislik seramikleri, ultra seramikler, hiper seramikler gibi terimler de kullanılmaktadır. Geleneksel seramikler doğal hammaddelerden üretilirken, ileri seramiklerin hammaddeleri sentezleme yöntemiyle yapay olarak hazırlanmaktadır.

Yapay olarak hazırlanan hammaddeler istenmeyen maddelerden arındırılmış, saf halde ve istenen fiziksel özelliklerdedir. Yapay hammaddelerin üretiminde çoğu zaman ileri teknoloji yöntemleri kullanılmaktadır. Günümüzde üretilen ileri seramiklerde, 1 mikron’un altında tozlar kullanılmakta ve böylece tamamen yoğun seramikler üretilmektedir. İleri seramikler başlıca Alumina (AL2O3), Zirkonya (ZrO2), Magnezya (MgO), Berilya (BeO) gibi saf oksitlerden ve oksit olmayan seramiklerden (karbürler, nitrürler, sülfürler, silisitler, borürler) oluşmaktadır.

Yeni, İleri Polimerik Malzemeler
Plastiklerin uygulama alanının artması, malzeme özelliklerinin hızla iyileşmesi ve tasarım teknolojilerindeki gelişmeler paralelinde, plastik parça şekilleri de giderek daha karmaşık hale gelmekte ve bu tür parçaları üretebilecek yeni teknolojiler geliştirilmektedir. Plastik sanayisi içinde gelişen ileri plastik ve polimerik malzemeler yaygın kullanım alanı bulmaktadır. Bu malzemelerin genel olarak sınıflandırılması aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.

Çizelge 2. Termoplastik Polimerik Malzemelerin Sınıflandırılması

Kategori

Süreç

Fiyat

Örnekler

Yaygın kullanılan polimerler

Yüksek miktarda üretilen, düşük maliyet ve kolay süreçler

Çok yüksek sıcaklık gerektirmez esnek üretim şartları

 

Düşük

PVC, düşük yoğun polietilen, yüksek yoğun polietilen, polipropilen

Mühendislik polimerleri

Üstün ısıl dayanım, mukavemet, dayanıklılık, üstün korozyon dayanımı, elektriksel özellikler

Yüksek sıcaklık ekipmanı gerekli, sınır proses teknolojisi

 

Orta ölçekte

Poliamidler, Poliasetaller, modifiye polifenilen oksit, polikarbonat, polietilen, tereftalat, polibutilen tereftalat, ABS

Yüksek performans Polimerleri

Süper ısıl dayanım, çok üstün mukavemet, optik özellikler, elektriksel özellikler

Çok yüksek sıcaklık ekipmanı gerekli, hassas proses teçhizatı; polimerizasyon süreci kompleks

 

Yüksek- çok yüksek

Polifenilensülfit, polisulfon, polieterimid, poliamid- imid, polieterketon, sıvı kristal polimerleri


Kompozit Malzemeler
Kompozit malzeme tanımı, temel olarak iki veya daha fazla malzemenin bir arada kullanılmasıyla oluşturulan ve meydana geldiği malzemelerden farklı özelliklere sahip yeni tür malzemeleri belirtmek için kullanılmaktadır. Kompozitlerin sahip olduğu yüksek özellikler kompozit malzemelerin birçok endüstriyel uygulamada tercih edilmesini sağlamaktadır.

Kompozit malzemelerin genel olarak sağladığı avantajlara bakıldığında;

1.Farklı mekanik özellikler elde etmek amacıyla istenen özelliği sağlayabilecek kompozit malzeme üretilebilmektedir.
2. Kompozit malzemeler kimyasallara, korozyona ve hava şartlarına dayanıklılık gösterir.
3. Karmaşık parçaların yekpare şekilde üretilebilmesi nedeniyle birçok küçük/ara parça ve bu parçaların montajlanması işlemleri asgari düzeye indirilebilmekte ve üretim süresi kısalmaktadır.
4. Yüksek dayanım.
5. Hafiflik.

Kompozit malzemeler bir matriks malzeme yapısı ile bu yapı içine katılan takviye malzemelerin bir araya getirilmesi yoluyla oluşmaktadır.

Çizelge 3. Kompozit Malzemelerin Oluşumu

Matriks malzemesi

Takviye malzemesi

Kompozit yapının tipi

Polimerler

Lifler

Tabakalar

Metaller

Granül

Kaplama

Seramikler

Whiskers

Film-Folya

Pudra

Bal peteği

Yonga

Filaman sarılmış yapılar

Kompozit malzemelerde kullanılan matriksler, polimerlerden (termosetler ve termoplastikler) metallerden ve seramiklerden oluşmaktadır. Dolayısıyla kompozit malzemeler kendi içinde Polimer bazlı (matriksi polimer olan) kompozitler, Metal bazlı (matriksi metal olan) kompozitler ve Seramik bazlı (matriksi seramik olan) kompozitler olarak sınıflandırılmaktadır. Kompozit malzemelerin % 90’ı polimer esaslı matrikslerle üretilmektedir.

Metal matriksler çok pahalıdır ve onlarla çalışılması zordur. Seramik matriksler ise kırılgan olmalarından dolayı yeterli dayanımları yoktur ve kullanım alanları yüksek ısı ile kullanılan yerlerle sınırlanmaktadır. Tüm diğer matriks alternatifleri içinde ticari olarak en uygun olan plastik matriksler arasında en çok kullanılan, termoset esaslı olan polyester ve epoksi reçineleridir.

Polimer Bazlı Kompozitler
Polimer bazlı kompozitler temelde kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözünmezler veya karışmazlar. Polimer bazlı kompozitlerde elyaf sertlik, sağlamlık gibi yapısal özellikleri, plastik reçine malzemesi ise elyafın yapısal bütünlüğü oluşturması için birbirine bağlanması, yükün elyaf arasında dağılmasını ve elyafın atmosfer şartlarından ve kimyasal etkilerden korunmasını sağlar. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin % 85’i polyester esaslı reçinelerin cam elyaf takviyesi ile üretilen CTP’dir. (Cam Takviyeli Polyester-CTP/ Glassfiber Reinforced Polyester- GRP/ FIBERGLASS)

Metal Bazlı Kompozitler
Metal bazlı kompozitlerde ise matriks yapısı olarak alüminyum, bakır, magnezyum, titanyum gibi hafif metaller ve alaşımları kullanılırken, takviye malzemesi olarak karbon, boron ve diğer metallerin elyaf, parçaçık, plakacık, kıl kristal şekli kullanılmaktadır. Bahsi geçen metal matriks ve takviye malzemesinin biraraya getirilmesi ile elde edilen yeni malzemenin dayanımı, aşınma dayanımı, korozyon ve sertlik özelliklerinin geleneksel malzemelere göre çok daha iyi olması nedeniyle bu tip malzemeler otomotivde, gaz türbinlerinde, havacılık sanayisinde ve nükleer güç ekipmanlarında verimli bir şekilde kullanılabilmektedir.

Seramik Bazlı Kompozitler
Seramik bazlı kompozitlerde matriks yapısı olarak Silisyum Nitrür (Si3N4), Silisyum Karbür (SiC), Alumina (Al2O3) kullanılırken takviye malzemesi olarak metallerin elyaf, parçaçık, plakacık, kıl kristal şekli kullanılmaktadır. Seramik bazlı kompozitler uzay- havacılık sektöründe, nükleer uygulamalarda ve gaz türbinlerinde kullanılmaktadır.

Bu Yazı Dizisinin Hazırlanmasında Yararlanılan Kaynaklar